使用交替极性的单相脉冲和被动电荷恢复进行的脊髓刺激
阅读说明：本技术 使用交替极性的单相脉冲和被动电荷恢复进行的脊髓刺激 (Spinal cord stimulation using monophasic pulses of alternating polarity and passive charge recovery ) 是由 奎·T·多恩 卢卡·安东内洛·安内奇诺 伊斯梅尔·赫尔塔斯·费尔南德斯 于 2020-01-13 设计创作，主要内容包括：公开了用于在可植入脉冲发生器或外部试验刺激器中使用的新的波形,该波形模拟主动驱动的双相脉冲,并且特别地用于发出低频率脉冲。波形在每个电极处包括交错的第一脉冲和第二脉冲。每个第一脉冲包括第一单相脉冲和第一被动电荷恢复时段。每个第二脉冲包括具有与第一单相脉冲相反的极性的第二单相脉冲和第二被动电荷恢复时段。优选地,第一单相脉冲和第二单相脉冲的幅值和脉宽相等,或者至少在每个电极处电荷平衡。第一单相脉冲和第二单相脉冲模仿对称双相脉冲的功能,其中第一单相脉冲模仿双相脉冲的第一阶段的功能,并且其中第二单相脉冲模仿双相脉冲的第二阶段的功能。(Novel waveforms for use in an implantable pulse generator or external trial stimulator are disclosed that simulate actively driven biphasic pulses, and in particular for delivering low frequency pulses. The waveform includes interleaved first and second pulses at each electrode. Each first pulse includes a first monophasic pulse and a first passive charge recovery period. Each second pulse includes a second monophasic pulse having a polarity opposite to that of the first monophasic pulse and a second passive charge recovery period. Preferably, the first monophasic pulse and the second monophasic pulse are equal in amplitude and pulse width, or at least charge balanced at each electrode. The first monophasic pulse and the second monophasic pulse mimic the function of a symmetric biphasic pulse, wherein the first monophasic pulse mimics the function of a first phase of a biphasic pulse, and wherein the second monophasic pulse mimics the function of a second phase of a biphasic pulse.)
技术领域
本申请涉及可植入医疗设备(Implantable Medical Device，IMD)，通常是脊髓刺激器，更具体地说涉及控制这种设备的方法。
背景技术
可植入神经刺激器设备是生成电刺激并将其递送到身体神经和组织以便进行各种生物疾病的治疗的设备，诸如用于治疗心律失常的起搏器、用于治疗心纤维性颤动的除颤器、用于治疗耳聋的耳蜗刺激器、用于治疗失明的视网膜刺激器、用于产生协调的肢体运动的肌肉刺激器、用于治疗慢性疼痛的脊髓刺激器、用于治疗运动和心理疾病的皮质和深部脑刺激器、以及用于治疗尿失禁、睡眠呼吸暂停、肩部半脱位等的其他神经刺激器。下面的描述将总体上集中在本发明在脊髓刺激(Spinal Cord Stimulation，SCS)系统(诸如美国专利6,516,227中公开的系统)中的用途。然而，本发明可以适用于任何可植入神经刺激器设备系统。
SCS系统通常包括图1中示出的可植入脉冲发生器(Implantable PulseGenerator，IPG)10。IPG 10包括通常导电的生物相容设备壳体12，该生物相容设备壳体容纳IPG的电路系统和用于为IPG运行提供功率的电池14。IPG 10通过形成电极阵列17的一个或多个电极引线耦合到组织刺激电极16。例如，可以使用具有承载在柔性主体18上的环形或开口环形电极16的一个或多个经皮引线15。在另一示例中，桨形引线19提供被定位在其大致平坦的表面中的一个上的电极16。引线内的引导线20耦合到电极16且耦合到可插入到引线连接器22的近端触点21，该引线连接器固定在IPG 10上的头部23中，该头部可以包括例如环氧树脂。一旦被插入，近端触点21连接到引线连接器22内的头部触点24，这些头部触点转而通过馈通引脚25通过壳体馈通26耦合到壳体12内的刺激电路系统28。
在所示的IPG 10中，存在在四个经皮引线15之间分开、或者包含在单个桨形引线19上的32个电极(E1至E32)，并且因此头部23可以包括2×2阵列的8电极引线连接器22。然而，IPG中的引线的类型和数量以及电极的数量是应用特定的，并且因此可以改变。导电壳体12还可以包括电极(Ec)。在SCS应用中，一个或多个电极引线通常植入靠近硬脑膜的脊柱，植入在患者的脊髓中，优选地跨患者的脊柱左右。近端触点21穿透穿过患者的组织到达远端位置，诸如在其中植入IPG壳体12的臀部，在该点它们耦合到引线连接器22。在被设计用于直接植入在需要刺激的部位处的其他IPG示例中，IPG可以是无引线的，使电极16代替地出现在IPG 10的主体上，用于接触患者的组织。在其他解决方案中，一个或多个IPG引线可以与IPG 10集成并永久连接到IPG 10。SCS治疗的目标是从电极16提供电刺激，以减轻患者的症状，诸如慢性背痛。
IPG 10可以包括天线27a，允许其与用于编程或监控IPG的多个外部设备(诸如稍后参考图5描述的手持患者控制器或临床医生的编程器)双向通信。所示的天线27a包括壳体12内的导电线圈，尽管线圈天线27a也可以出现在头部23中。当天线27a被配置为线圈时，与外部设备的通信优选地使用近场磁感应发生。IPG 10还可以包括射频(Radio-Frequency，RF)天线27b。在图1中，RF天线27b被示出在头部23内，但是它也可以在壳体12内。RF天线27b可以包括贴片、缝隙或线，并且可以操作为单极或偶极。RF天线27b优选地使用远场电磁波进行通信，并且可以根据任何数量的已知RF通信标准进行操作，诸如蓝牙、Zigbee、MICS等。
IPG 10中的刺激通常由脉冲提供，如图2A和图2B所示。刺激参数通常包括脉冲的幅值(A；无论是电流还是电压)；脉冲的频率(F)；脉冲的脉宽(pulse width，PW)(或如下所述的其各个阶段)；被激活以提供这种刺激的电极16(E)；以及这种激活电极的极性(P)，即无论激活电极是充当向组织提供(source)电流的阳极还是从组织吸收(sink)电流的阴极。这些以及可能地所采用的其他刺激参数一起构成了刺激程序，IPG 10可以执行该刺激程序来向患者提供刺激。
图2A中的脉冲包括各自由图3中示出的刺激电路系统28主动驱动的两个脉冲阶段30a和30b。在第一阶段30a期间，电极E4被选择为阳极，并且因此向组织提供幅值+A的正电流，而电极E5被选择为阴极，并且因此从组织吸收幅值-A的相对应的负电流。然而，一个以上的电极可以在给定时间充当阳极，并且一个以上的电极可以在给定时间充当阴极。也可以使用壳体电极Ec进行刺激，如图3所示。
具有两个主动驱动阶段30a和30b的如图2A所示的脉冲通常被称为“双相”脉冲，其中阶段30a和30b具有相反的极性。(在两个阶段30a和30b之间可能有短的间期时段，在此期间没有电流流动，尽管这没有被示出)。双相脉冲的使用在电荷恢复中是有用的，鉴于在所选择的电极之间建立的电流路径中的电容，这可能是必要的，如下面进一步解释的那样。虽然未示出，但是阶段30a和30b中的每个可以被分解成一系列更高频率的脉冲，这通常被称为脉冲的“串”，如众所周知的那样。
如图3所示的刺激电路系统28包括一个或多个电流源电路40i和一个或多个电流吸收器电路42i。源40i和吸收器42i可以包括数模转换器(Digital-to-Analog converter，DAC)，并且根据它们分别发出的正(所提供、阳极)和负(所吸收的、阴极)电流，可以被称为PDAC 40i和NDAC 42i。在所示的示例中，NDAC/PDAC 40i/42i对专用(硬连线)于特定的电极节点ei 39。出于以下解释的原因，每个电极节点ei 39经由DC阻挡电容器Ci 38连接到电极Ei 16。这个示例中的刺激电路系统28还支持选择导电壳体12作为电极(Ec 12)，该壳体电极通常被选择用于单极刺激。PDAC 40i和NDAC 42i也可以包括电压源。尽管未示出，开关矩阵可以介于一个或多个PDAC 40i和电极节点ei 39之间，以及一个或多个NDAC 42i和电极节点之间。开关矩阵允许PDAC中的一个或多个或NDAC中的一个或多个在给定时间连接到一个或多个阳极或阴极电极节点。
刺激电路系统28由刺激参数配置，这些刺激参数可以由IPG 10中的控制器电路系统29提供给刺激电路系统28。控制器电路系统29可以包括微控制器、微处理器、微型计算机、FPGA、其他数字逻辑结构等，其能够执行电子设备的指令。控制器电路系统29可以包括分离的组件，或者可以与包括刺激电路系统28以及操作IPG 10的各种功能所需的其他电路的专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)集成。通过刺激参数对PDAC 40i和NDAC 42i的适当控制允许电极16中的任何一个充当阳极或阴极，以产生通过患者的组织R的规定幅值的电流I，希望具有良好的治疗效果。在所示的示例中，并且在其中电极E4和E5分别被选择作为阳极和阴极的第一阶段30a期间，PDAC 404和NDAC 425被激活并被数字编程以(例如，根据规定的频率F和脉宽PWa)产生具有正确定时的期望电流A。在第二阶段30b(PWb)期间，PDAC 405和NDAC424将被激活以反转电流的极性。一次可以选择一个以上的阳极电极和一个以上的阴极电极，并且因此电流可以流过电极16中的两个或更多个之间的组织R。刺激电路系统28的功率由顺从电压VH提供，如美国专利申请公布2013/0289665中进一步详细描述的那样。刺激电路系统的其他示例和各种PDAC和NDAC电路的细节公开在USP 6,181,969、8,606,362、8,620,436、美国专利申请公布2018/0071520和2019/0083796中。注意，刺激电路系统28能够独立地设置电极中的任何一个处的电流——这有时被称为多个独立电流控制(Multiple Independent Current Control，MICC)。
DC阻断电容器Ci 38串联放置在电极节点ei 39中的每个和电极Ei 16(包括壳体电极Ec 12)之间。DC阻断电容器38充当安全措施，以防止DC电流注入到患者体内，例如，如果刺激电路系统28中存在电路故障，就会发生这种情况。DC阻断电容器38通常被提供在芯片外(在一个或多个ASIC之外)，并且替代地可以被提供在IPG 10中用于集成其各种组件的电路板中或电路板上，如美国专利申请公布2015/0157861中所解释的那样。
如上所述，如图2A所示的双相脉冲可以用于恢复存储在电流路径中的电容上的电荷，特别是存储在DC阻断电容器38上的电荷。当在第一阶段30a期间驱动恒定电流I时，电流路径中的电容器(C4和C5)将以速率dV/dt＝I/C存储电荷，并且因此在这些电容器(Vc4和Vc5)上建立电压。当这个电流的极性在第二阶段30b期间反转时，这个存储的电荷被恢复，并且电容器两端的电压优选地在发出下一脉冲之前(即，在下一阶段30a之前)返回到零。以这种方式使用双相脉冲有时被称为“主动”电荷恢复，因为在第一阶段30a期间存储的电荷被在第二阶段30b期间由刺激电路系统28主动驱动的电流恢复。在主动电荷恢复期间通常优选的是阶段30a和30b是电荷平衡的，也就是说，在第一阶段30a期间通过的电荷量等于在第二阶段30b期间通过的电荷量。这可以通过在两个阶段期间将电流幅值和脉宽设置为相等的值来实现(|+A|＝|-A|；PWa＝PWb)。然而，这并不是严格必要的，并且如果对于两个阶段幅值和脉宽的乘积相等(或者更一般地说，如果它们曲线下的面积相等)，也可以实现电荷平衡。
也可以使用单相脉冲然后使用被动电荷恢复(passive charge recovery)来提供刺激脉冲，如图2B所示。这种单相脉冲仅包括单个主动阶段30a，其如前文那样被主动驱动。因为如刚刚描述的那样，这个阶段30a将对电流路径中的电容充电，所以恢复这种电荷也是谨慎的，但是这是在没有刺激电路系统28(也就是说，PDAC和NDAC)驱动主动电流的情况下被动发生的。具体而言，被动电荷恢复开关41i被提供在刺激电路系统28中(图3)。开关41i耦合在电极节点ei 39中的每个和参考电位之间。在所描绘的示例中，这个参考电位包括电池14的电压(Vbat)，尽管可以使用另一参考电位。在发出第一脉冲阶段30a之后，这些开关41i中的一个或多个(其电极节点e4和e5参与在第一阶段期间提供电流的全部、或至少414和415)在被动电荷恢复时段30c期间闭合(图2B)。这将在第一阶段期间充电的电容器并联放置在参考电位(Vbat)和患者的组织R之间。结果，并且如图2B所示，在电容器放电时，相反极性的电流脉冲将在每个电极处流动，该电流将以取决于IPG的电路系统和组织R中固有的电容和电阻的值的速率指数衰减。优选地，开关41i在时段30c期间闭合持续足以有效恢复在第一阶段30a期间存储在电容元件(例如，电容器38)上的所有电荷的持续时间。在被动电荷恢复时段结束时，开关41i可以再次被打开。美国专利申请公布2018/0071527和2018/0140831中更全面地解释了被动电荷恢复。
注意，被动电荷恢复也可以与图2A中示出的双相脉冲一起使用。因此，被动电荷恢复时段30c可以在第二主动驱动阶段30b之后。即使主动驱动阶段30a和30b被设计为是电荷平衡的，非理想性也可能会导致不完美的电荷平衡，并且因此在阶段30c期间提供被动电荷恢复可能是谨慎的以确保在发出下一脉冲之前完全恢复电荷。
图4示出了可以在患者体内植入IPG 10之前的外部试验刺激环境。在外部试验刺激期间，可以对预期的植入患者尝试刺激，而不达到要植入IPG 10。替代地，包括一根或多根引线(例如，一根或多根经皮引线15或桨形引线19)的试验电极阵列17’被植入患者组织32中目标位置34处，诸如如前所述的脊柱内。试验电极阵列17’的引线的近端离开切口36，并连接到外部试验刺激器(External Trial Stimulator，ETS)40。ETS 40通常模仿IPG 10的操作，并且因此可以如上所解释那样向患者的组织提供刺激脉冲。例如，参见公开了一种用于ETS的设计的9,259,574。ETS 40通常被患者外部地佩戴一小段时间(例如，两周)，这允许患者和他的临床医生以不同的刺激参数进行实验，以尝试并找到减轻患者的症状(例如，疼痛)的刺激程序。如果外部试验刺激证明成功，则移出试验电极阵列17’，并且如上所述植入完整的IPG 10和电极阵列17；如果不成功，简单地移出电极阵列17’。
像IPG 10一样，ETS 40可以包括一个或多个天线，以实现与外部设备的双向通信，这将参照图5进一步解释。这种天线可以包括近场磁感应线圈天线42a和/或远场RF天线42b，如前所述。ETS 40还可以包括能够根据刺激程序形成刺激脉冲的刺激电路系统，该电路系统可以与IPG 10中存在的刺激电路系统28相似或相同。ETS 40还可以包括用于操作功率的电池(未示出)。
图5示出了能够与IPG 10和ETS 40无线通信传送数据的各种外部设备，包括患者手持外部控制器45和临床医生编程器50。设备45和50中的两个可以用于向IPG 10或ETS 40发送刺激程序——也就是说，对它们的刺激电路系统进行编程，以产生具有前面描述的期望形状和定时的脉冲。设备45和50两者也可以用于调节IPG 10或ETS 40当前正在执行的刺激程序的一个或多个刺激参数。设备45和50也可以从IPG 10或ETS 40接收信息，诸如各种状态信息等。
外部控制器45可以是例如美国专利申请公布2015/0080982中描述的，并且可以包括被配置为与IPG 10一起工作的专用控制器。外部控制器45还可以包括通用移动电子设备，诸如已经利用医疗设备应用(Medical Device Application，MDA)编程的移动电话，从而允许其作为用于IPG 10或ETS 40的无线控制器工作，如美国专利申请公布2015/0231402中所述。外部控制器45包括用户界面，包括用于输入命令的装置(例如，按钮或图标)和显示器46。外部控制器45的用户界面使患者能够调节刺激参数，尽管与稍后描述的更强大的临床医生编程器50相比，其可能具有有限的功能。
外部控制器45可以具有能够与IPG 10和ETS 40通信的一个或多个天线。例如，外部控制器45可以具有能够与IPG 10或ETS 40中的线圈天线27a或42a无线通信的近场磁感应线圈天线47a。外部控制器45还可以具有能够与IPG 10或ETS 40中的RF天线27b或42b无线通信的远场RF天线47b。外部控制器45还可以具有能够执行电子设备的指令的控制器电路系统48，诸如微控制器、微处理器、微型计算机、FPGA、其他数字逻辑结构等。控制器电路系统48可以例如接收患者对刺激参数的调整，并创建要无线传输到IPG 10或ETS 40的刺激程序。
临床医生编程器50在美国专利申请公布2015/0360038中被进一步描述，并且在此仅简单地进行解释。临床医生程序员50可以包括计算设备51，诸如台式计算机、膝上型计算机或笔记本计算机、平板电脑、移动智能电话、个人数据助理(Personal Data Assistant，PDA)型移动计算设备等。在图5中，计算设备51被示为膝上型计算机，其包括典型的计算机用户接口装置，诸如屏幕52、鼠标、键盘、扬声器、指示笔、打印机等，为了方便起见，没有示出所有这些。图5中还示出了临床医生编程器50的通常作为刺激控制器特定于其操作的附属设备(诸如通信“棒”54和操纵杆58)，其可耦合到计算设备51上的合适端口，诸如USB端口59。
临床医生编程器50中用于与IPG 10或ETS 40通信的天线可以取决于那些设备中包括的天线类型。如果患者的IPG 10或ETS 40包括线圈天线27a或42a，棒54同样可以包括线圈天线56a以在小距离上建立近场磁感应通信。在这种情况下，可以将棒54附着在患者附近，诸如通过将棒54放置在患者可佩戴的腰带或皮套中并靠近患者的IPG 10或ETS 40。如果IPG 10或ETS 40包括RF天线27b或42b，则棒54、计算设备51或两者可以同样包括RF天线56b，以在更大的距离上与IPG 10或ETS 40建立通信。(在这种情况下，棒54可能不是必需的)。临床医生编程器50还可以无线地或经由以太网或网络端口处提供的有线链路与其他设备和网络(诸如互联网)建立通信。
为了对用于IPG 10或ETS 40的刺激程序或刺激参数进行编程，临床医生与在计算设备51的显示器52上提供的临床医生程序员图形用户界面(GUI)64进行交互。如本领域技术人员所理解的，GUI 64可以通过在计算设备51上执行临床医生程序员软件66来呈现，该软件可以存储在设备的非易失性存储器68中。本领域技术人员还将认识到，临床医生程序员软件66在计算设备51中的执行可以通过能够在计算设备中执行程序的控制电路系统70(诸如微处理器、微型计算机、FPGA、其他数字逻辑结构等)来促进。除了执行临床医生编程器软件66和呈现GUI 64之外，这种控制电路系统70还能够通过天线56a或56b进行通信，以将通过GUI 64选择的刺激参数通信传送到患者的IPG 10。
在图6的一个示例中示出了GUI 64的一部分。本领域的技术人员将理解，GUI 64的细节将取决于临床医生程序员软件66在其执行中的位置，这可能取决于临床医生已经做出的先前的GUI选择。图6示出了在允许为患者的IPG 10或ETS 40设置刺激参数的点处的GUI64。虽然GUI 64被示为在临床医生编程器50中操作，但是外部控制器45的用户界面可以提供类似的功能。
被示出在右部的是可以在其中为刺激程序定义特定刺激参数的界面。与波形的形状相关的刺激参数(A；在这个示例中，为电流、PW、F)的值被示出在波形参数界面84中，包括临床医生可以用来增加或减少这些值的按钮。使得与电极16(活动电极及其极性)相关的刺激参数在电极参数界面86中是可调节的。电极参数也是可见的，并且可以在引线界面92中进行操控，该引线界面显示相对于彼此大致处于其适当位置的电极阵列17(或17’)，例如在脊柱的左侧和右侧(为了简单起见，仅示出了两条引线)。光标94(或诸如鼠标指针的其他选择装置)可以用于选择引线界面92中的特定电极。电极参数界面86中的按钮允许所选择的电极(包括壳体电极Ec)被指定为阳极、阴极或关闭。电极参数界面86还允许以百分比X指定所选择的电极的阳极或阴极电流的相对强度。如果在给定时间一个以上的电极充当阳极或阴极，这是特别有用的，如‘038公布中所解释的那样。根据图2A和图2B中示出的示例波形，如引线界面92所示，电极E4被选择为提供电流的唯一的阳极，并且这个电极接收X＝100％的所指定的阳极电流+A。同样地，电极E5已经被选择为吸收电流的唯一的阴极，并且这个电极接收X＝100％的阴极电流-A。同样，可以一次选择一个以上的电极充当阳极或阴极，其中这些电极共享阳极电流+A或阴极电流–A。例如，电极E3和E4两者可以被选择为充当阳极，其中E3接收30％的+A并且E4接收70％的+A。GUI 64还可以包括未显示的其他高级选项，其例如允许设置刺激脉冲的占空比(开/关时间)、设置刺激脉冲将达到其经编程的幅值(A)的上升时间、指定使用双相波形和/或被动电荷恢复的选项等。
发明内容
公开了一种用于编程刺激器设备的方法，该刺激器设备包括多个电极节点，每个电极节点被配置为耦合到被配置为接触患者的组织的多个电极中的一个。该方法可以包括：对刺激器设备进行编程，以在电极节点中的至少两个处提供交错的第一脉冲和第二脉冲的重复序列，从而经由第一脉冲和第二脉冲创建通过患者的组织的刺激电流，其中，在至少两个电极节点的第一电极节点处，每个第一脉冲包括第一极性的第一单相脉冲和与第一极性相反的第二极性的第一被动电荷恢复脉冲，第一被动电荷恢复脉冲被配置为恢复在第一单相脉冲期间存储的电荷，并且其中，在第一电极节点处，每个第二脉冲包括第二极性的第二单相脉冲和第一极性的第二被动电荷恢复脉冲，第二被动电荷恢复脉冲被配置为恢复在第二单相脉冲期间存储的电荷。
在一个示例中，第一被动恢复脉冲紧接在第一电极节点处的第一脉冲中的第一单相脉冲之后，并且其中第二被动恢复脉冲紧接在第一电极节点处的第二脉冲中的第二单相脉冲之后。在一个示例中，第一单相脉冲具有第一幅值和第一脉宽，并且其中第二单相脉冲具有第二幅值和第二脉宽。在一个示例中，第一幅值和第二幅值包括恒定电流幅值。在一个示例中，第一幅值和第二幅值相等，并且其中第一脉宽和第二脉宽相等。在一个示例中，第一单相脉冲和第二单相脉冲在第一电极节点处电荷平衡。在一个示例中，第一单相脉冲和第二单相脉冲在第一电极节点处不是电荷平衡的。在一个示例中，刺激器设备包括刺激电路系统，该刺激电路系统包括一个或多个数模转换器(DAC)，该数模转换器被配置为在第一电极节点处主动驱动第一单相脉冲和第二单相脉冲。在一个示例中，刺激电路系统包括各自耦合在电极节点中的一个和参考电位之间的多个被动恢复开关，其中通过闭合耦合到第一电极节点的被动恢复开关来形成第一被动电荷恢复脉冲和第二被动电荷恢复脉冲。在一个示例中，一个或多个DAC不被配置为主动驱动第一被动电荷恢复脉冲和第二被动电荷恢复脉冲。在一个示例中，一个或多个DAC包括被配置为提供电流的一个或多个正DAC(PDAC)和被设计为吸收电流的一个或多个负DAC(NDAC)，其中第一单相脉冲在第一电极节点处被一个或多个PDAC中的至少一个主动驱动，并且其中第二单相脉冲在第一电极节点处被一个或多个NDAC中的至少一个主动驱动。在一个示例中，在第一电极节点处第二脉冲在时间上相对于第一脉冲居中。在一个示例中，第一脉冲和第二脉冲在第一电极处不重叠。在一个示例中，在至少两个电极节点的第二电极节点处，每个第一脉冲包括第二极性的第三单相脉冲和第一极性的第三被动电荷恢复脉冲，第三被动电荷恢复脉冲被配置为恢复在第三单相脉冲期间存储的电荷，其中，在第二电极节点处，每个第二脉冲包括第一极性的第四单相脉冲和第二极性的第四被动电荷恢复脉冲，第四被动电荷恢复脉冲被配置为恢复在第四单相脉冲期间存储的电荷。在一个示例中，第一单相脉冲和第三单相脉冲在时间上重合，并且其中第二单相脉冲和第四单相脉冲在时间上重合。在一个示例中，第一被动电荷恢复脉冲和第三被动电荷恢复脉冲在时间上重合，并且其中第二被动电荷恢复脉冲和第四被动电荷恢复脉冲在时间上重合。在一个示例中，刺激器设备还包括用于容纳刺激电路系统的壳体，其中壳体是导电的并且包括多个电极中的一个，其中第二电极节点包括耦合到导电壳体的电极节点。在一个示例中，没有刺激电流流动的间期时段介于(i)每个第一脉冲中的第一单相脉冲和第一被动电荷恢复脉冲之间，以及(ii)每个第二脉冲中的第二单相脉冲和第二被动电荷恢复脉冲之间。在一个示例中，在第一电极节点处以第一频率发出第一脉冲，并且其中在第一电极节点处以第一频率发出第二脉冲。在一个示例中，刺激器设备包括至少一根可植入引线，其中电极中的至少一些位于至少一根可植入引线上。在一个示例中，第一电极节点包括耦合到位于至少一个可植入引线上的电极的电极节点。在一个示例中，每个电极节点通过DC阻断电容器耦合到其相关联的电极。在一个示例中，刺激器设备包括可植入脉冲发生器或外部试验刺激器。
公开了一种刺激器设备，该刺激器设备可以包括：多个电极节点，每个电极节点被配置为耦合到被配置为接触的患者组织的多个电极中的一个；以及刺激电路系统，该刺激电路系统通过刺激参数被配置为在电极节点中的至少两个处提供交错的第一脉冲和第二脉冲的重复序列，从而经由第一脉冲和第二脉冲创建通过患者的组织的刺激电流，其中，在至少两个电极节点的第一电极节点处，每个第一脉冲包括第一极性的第一单相脉冲和与第一极性相反的第二极性的第一被动电荷恢复脉冲，第一被动电荷恢复脉冲被配置为恢复在第一单相脉冲期间存储的电荷，并且其中，在第一电极节点处，每个第二脉冲包括第二极性的第二单相脉冲和第一极性的第二被动电荷恢复脉冲，第二被动电荷恢复脉冲被配置为恢复在第二单相脉冲期间存储的电荷。
在一个示例中，第一被动恢复脉冲紧接在第一电极节点处的第一脉冲中的第一单相脉冲之后，并且其中第二被动恢复脉冲紧接在第一电极节点处的第二脉冲中的第二单相脉冲之后。在一个示例中，第一单相脉冲具有第一幅值和第一脉宽，并且其中第二单相脉冲具有第二幅值和第二脉宽。在一个示例中，第一幅值和第二幅值包括恒定电流幅值。在一个示例中，第一幅值和第二幅值相等，并且其中第一脉宽和第二脉宽相等。在一个示例中，第一单相脉冲和第二单相脉冲在第一电极节点处电荷平衡。在一个示例中，第一单相脉冲和第二单相脉冲在第一电极节点处不是电荷平衡的。在一个示例中，刺激电路系统包括一个或多个数模转换器(DAC)，该数模转换器被配置为在第一电极节点处主动驱动第一单相脉冲和第二单相脉冲。在一个示例中，刺激电路系统包括各自耦合在电极节点中的一个和参考电位之间的多个被动恢复开关，其中通过闭合耦合到第一电极节点的被动恢复开关来形成第一被动电荷恢复脉冲和第二被动电荷恢复脉冲。在一个示例中，一个或多个DAC不被配置为主动驱动第一被动电荷恢复脉冲和第二被动电荷恢复脉冲。在一个示例中，一个或多个DAC包括被配置为提供电流的一个或多个正DAC(PDAC)和被设计为吸收电流的一个或多个负DAC(NDAC)，其中第一单相脉冲在第一电极节点处被一个或多个PDAC中的至少一个主动驱动，并且其中第二单相脉冲在第一电极节点处被一个或多个NDAC中的至少一个主动驱动。在一个示例中，在第一电极节点处第二脉冲在时间上相对于第一脉冲居中。在一个示例中，第一脉冲和第二脉冲在第一电极处不重叠。在一个示例中，在至少两个电极节点的第二电极节点处，每个第一脉冲包括第二极性的第三单相脉冲和第一极性的第三被动电荷恢复脉冲，第三被动电荷恢复脉冲被配置为恢复在第三单相脉冲期间存储的电荷，其中，在第二电极节点处，每个第二脉冲包括第一极性的第四单相脉冲和第二极性的第四被动电荷恢复脉冲，第四被动电荷恢复脉冲被配置为恢复在第四单相脉冲期间存储的电荷。在一个示例中，第一单相脉冲和第三单相脉冲在时间上重合，并且其中第二单相脉冲和第四单相脉冲在时间上重合。在一个示例中，第一被动电荷恢复脉冲和第三被动电荷恢复脉冲在时间上重合，并且其中第二被动电荷恢复脉冲和第四被动电荷恢复脉冲在时间上重合。在一个示例中，刺激器设备还包括用于容纳刺激电路系统的壳体，其中壳体是导电的并且包括多个电极中的一个，其中第二电极节点包括耦合到导电壳体的电极节点。在一个示例中，没有刺激电流流动的间期时段介于(i)每个第一脉冲中的第一单相脉冲和第一被动电荷恢复脉冲之间，以及(ii)每个第二脉冲中的第二单相脉冲和第二被动电荷恢复脉冲之间。在一个示例中，在第一电极节点处以第一频率发出第一脉冲，并且其中在第一电极节点处以第一频率发出第二脉冲。在一个示例中，刺激器设备还包括至少一根可植入引线，其中电极中的至少一些位于至少一根可植入引线上。在一个示例中，第一电极节点包括耦合到位于至少一个可植入引线上的电极的电极节点。在一个示例中，每个电极节点通过DC阻断电容器耦合到其相关联的电极。在一个示例中，刺激器设备包括可植入脉冲发生器或外部试验刺激器。
公开了一种非暂时性计算机可读介质，包括用于对刺激器设备进行编程的指令，该刺激器设备包括多个电极节点，每个电极节点被配置为耦合到被配置为接触患者的组织的多个电极中的一个，其中指令在被执行时被配置为执行以下方法：对刺激器设备中的刺激电路系统进行编程，以在电极节点中的至少两个处提供交错的第一脉冲和第二脉冲的重复序列，从而经由第一脉冲和第二脉冲创建通过患者的组织的刺激电流，其中，在至少两个电极节点的第一电极节点处，每个第一脉冲包括第一极性的第一单相脉冲和与第一极性相反的第二极性的第一被动电荷恢复脉冲，第一被动电荷恢复脉冲被配置为恢复在第一单相脉冲期间存储的电荷，并且其中，在第一电极节点处，每个第二脉冲包括第二极性的第二单相脉冲和第一极性的第二被动电荷恢复脉冲，第二被动电荷恢复脉冲被配置为恢复在第二单相脉冲期间存储的电荷。
在一个示例中，非暂时性计算机可读介质驻留在刺激器设备中。在一个示例中，非暂时性计算机可读介质驻留在用于对刺激器设备编程的外部设备中。在一个示例中，第一被动恢复脉冲紧接在第一电极节点处的第一脉冲中的第一单相脉冲之后，并且其中第二被动恢复脉冲紧接在第一电极节点处的第二脉冲中的第二单相脉冲之后。在一个示例中，第一单相脉冲具有第一幅值和第一脉宽，并且其中第二单相脉冲具有第二幅值和第二脉宽。在一个示例中，第一幅值和第二幅值包括恒定电流幅值。在一个示例中，第一幅值和第二幅值相等，并且其中第一脉宽和第二脉宽相等。在一个示例中，第一单相脉冲和第二单相脉冲在第一电极节点处电荷平衡。在一个示例中，第一单相脉冲和第二单相脉冲在第一电极节点处不是电荷平衡的。在一个示例中，在第一电极节点处第二脉冲在时间上相对于第一脉冲居中。在一个示例中，第一脉冲和第二脉冲在第一电极处不重叠。在一个示例中，在至少两个电极节点的第二电极节点处，每个第一脉冲包括第二极性的第三单相脉冲和第一极性的第三被动电荷恢复脉冲，第三被动电荷恢复脉冲被配置为恢复在第三单相脉冲期间存储的电荷，其中，在第二电极节点处，每个第二脉冲包括第一极性的第四单相脉冲和第二极性的第四被动电荷恢复脉冲，第四被动电荷恢复脉冲被配置为恢复在第四单相脉冲期间存储的电荷。在一个示例中，第一单相脉冲和第三单相脉冲在时间上重合，并且其中第二单相脉冲和第四单相脉冲在时间上重合。在一个示例中，第一被动电荷恢复脉冲和第三被动电荷恢复脉冲在时间上重合，并且其中第二被动电荷恢复脉冲和第四被动电荷恢复脉冲在时间上重合。在一个示例中，刺激器设备还包括用于容纳刺激电路系统的壳体，其中壳体是导电的并且包括多个电极中的一个，其中第二电极节点包括耦合到导电壳体的电极节点。在一个示例中，没有刺激电流流动的间期时段介于(i)每个第一脉冲中的第一单相脉冲和第一被动电荷恢复脉冲之间，以及(ii)每个第二脉冲中的第二单相脉冲和第二被动电荷恢复脉冲之间。在一个示例中，在第一电极节点处以第一频率发出第一脉冲，并且其中在第一电极节点处以第一频率发出第二脉冲。
公开了一种用于编程刺激器设备的方法，该刺激器设备包括多个电极节点，每个电极节点被配置为耦合到被配置为接触患者的组织的多个电极中的一个。该方法可以包括：在用于对刺激设备进行编程的外部设备上的图形用户界面(GUI)处，接收用于要在刺激设备中的电极节点中的至少两个处产生的脉冲的刺激参数；在外部设备处根据刺激参数自动导出波形，其中波形包括在至少两个电极节点处的交错的第一脉冲和第二脉冲，其中在自动导出的波形中，在至少两个电极节点的第一电极节点处，每个第一脉冲包括第一极性的第一单相脉冲，随后是被配置为恢复在第一单相脉冲期间存储的电荷的第一被动电荷恢复脉冲，并且其中在自动导出的波形中，在第一电极节点处，每个第二脉冲包括与第一极性相反的第二极性的第二单相脉冲，随后是被配置为恢复在第二单相脉冲期间存储的电荷的第二被动电荷恢复脉冲。
在一个示例中，刺激参数不独立地指定交错的第一脉冲和第二脉冲。在一个示例中，在自动导出的波形中，在至少两个电极节点的第二电极节点处，每个第一脉冲包括第二极性的第三单相脉冲，随后是被配置为恢复在第三单相脉冲期间存储的电荷的第三被动电荷恢复脉冲，其中在自动导出的波形中，在第二电极节点处，每个第二脉冲包括第一极性的第四单相脉冲，随后是被配置为恢复在第二单相脉冲期间存储的电荷的第四被动电荷恢复脉冲。在一个示例中，第一单相脉冲和第三单相脉冲在时间上重合，并且其中第二单相脉冲和第四单相脉冲在时间上重合。在一个示例中，第一被动电荷恢复脉冲和第三被动电荷恢复脉冲在时间上重合，并且其中第二被动电荷恢复脉冲和第四被动电荷恢复脉冲在时间上重合。在一个示例中，该方法还包括将所导出的波形传输到刺激器设备，以在电极节点中的至少两个处产生脉冲。在一个示例中，当在GUI处接收用户选择时，发生根据刺激参数自动导出波形。
公开了一种系统，该系统可以包括：刺激器设备，该刺激器设备包括多个电极节点，每个电极节点被配置为耦合到被配置为接触患者的组织的多个电极中的一个；以及外部设备，该外部设备用于对刺激器设备进行编程，包括包含软件程序的非暂时性计算机可读介质，其中软件程序当在外部设备上执行时被配置为：在外部设备上呈现图形用户界面(GUI)、在(GUI)处接收用于要在刺激器设备中的电极节点中的至少两个处产生的脉冲的刺激参数、根据刺激参数自动导出波形，其中波形包括在至少两个电极节点处的交错的第一脉冲和第二脉冲，其中在自动导出的波形中，在至少两个电极节点的第一电极节点处，每个第一脉冲包括第一极性的第一单相脉冲，随后是被配置为恢复在第一单相脉冲期间存储的电荷的第一被动电荷恢复脉冲，并且其中在自动导出的波形中，在第一电极节点处，每个第二脉冲包括与第一极性相反的第二极性的第二单相脉冲，随后是被配置为恢复在第二单相脉冲期间存储的电荷的第二被动电荷恢复脉冲。
在一个示例中，刺激参数不独立地指定交错的第一脉冲和第二脉冲。在一个示例中，在自动导出的波形中，在至少两个电极节点的第二电极节点处，每个第一脉冲包括第二极性的第三单相脉冲，随后是被配置为恢复在第三单相脉冲期间存储的电荷的第三被动电荷恢复脉冲，其中在自动导出的波形中，在第二电极节点处，每个第二脉冲包括第一极性的第四单相脉冲，随后是被配置为恢复在第二单相脉冲期间存储的电荷的第四被动电荷恢复脉冲。在一个示例中，第一单相脉冲和第三单相脉冲在时间上重合，并且其中第二单相脉冲和第四单相脉冲在时间上重合。在一个示例中，第一被动电荷恢复脉冲和第三被动电荷恢复脉冲在时间上重合，并且其中第二被动电荷恢复脉冲和第四被动电荷恢复脉冲在时间上重合。在一个示例中，软件程序当在外部设备上执行时还被配置为将所导出的波形传输到刺激器设备，以在电极节点中的至少两个处产生脉冲。在一个示例中，GUI包括用户可选选项，以根据刺激参数自动导出波形。
公开了一种非暂时性计算机可读介质，包括用于外部设备的指令，该外部设备用于对刺激器设备进行编程，该刺激器设备包括多个电极节点，每个电极节点被配置为耦合到被配置为接触患者的组织的多个电极中的一个，其中指令在外部设备上执行时被配置成执行以下方法：在外部设备上的图形用户界面(GUI)处提供输入，以接收要在刺激器设备中的电极节点中的至少两个处产生的脉冲的刺激参数；在外部设备处根据刺激参数自动导出波形，其中波形包括在至少两个电极节点处的交错的第一脉冲和第二脉冲，其中在自动导出的波形中，在至少两个电极节点的第一电极节点处，每个第一脉冲包括第一极性的第一单相脉冲，随后是被配置为恢复在第一单相脉冲期间存储的电荷的第一被动电荷恢复脉冲，并且其中在自动导出的波形中，在第一电极节点处，每个第二脉冲包括与第一极性相反的第二极性的第二单相脉冲，随后是被配置为恢复在第二单相脉冲期间存储的电荷的第二被动电荷恢复脉冲。
在一个示例中，刺激参数不独立地指定交错的第一脉冲和第二脉冲。在一个示例中，在自动导出的波形中，在至少两个电极节点的第二电极节点处，每个第一脉冲包括第二极性的第三单相脉冲，随后是被配置为恢复在第三单相脉冲期间存储的电荷的第三被动电荷恢复脉冲，其中在自动导出的波形中，在第二电极节点处，每个第二脉冲包括第一极性的第四单相脉冲，随后是被配置为恢复在第二单相脉冲期间存储的电荷的第四被动电荷恢复脉冲。在一个示例中，第一单相脉冲和第三单相脉冲在时间上重合，并且其中第二单相脉冲和第四单相脉冲在时间上重合。在一个示例中，第一被动电荷恢复脉冲和第三被动电荷恢复脉冲在时间上重合，并且其中第二被动电荷恢复脉冲和第四被动电荷恢复脉冲在时间上重合。在一个示例中，当在外部设备上执行时，指令还包括将所导出的波形传输到刺激器设备，以在电极节点中的至少两个处产生脉冲。在一个示例中，当在外部设备上执行时，指令还包括在GUI上提供用户可选选项，以根据刺激参数自动导出波形。
附图说明
图1示出了根据现有技术的可用于脊髓刺激(SCS)的可植入脉冲发生器(IPG)。
图2A和图2B示出了根据现有技术的可由IPG分别采用主动电荷恢复和被动电荷恢复产生的刺激脉冲的示例。
图3示出了根据现有技术的在IPG用于提供刺激脉冲的刺激电路系统。
图4示出了根据现有技术的可用于在植入IPG之前提供刺激的外部试验刺激器(ETS)。
图5示出了根据现有技术的能够与IPG和ETS通信并对它们中的刺激进行编程的各种外部设备。
图6示出了根据现有技术的用于设置或调节刺激参数的临床医生编程器外部设备的图形用户界面(GUI)。
图7示出了使用可移动超感知(supra-perception)双极为患者确定有效电极的“最佳点搜索”。
图8示出了最佳点搜索，其中双极由与电极阵列中的电极的位置不对应的虚拟极构成。
图9示出了将较低频率与可用于在IPG或ETS中提供亚感知(sub-perception)刺激的最佳脉宽相关联的数据。
图10示出了优选地可用于提供图9的较低频率刺激的对称双相波形的示例。
图11示出了模拟图10的双相波形的功能但是采用使用单相脉冲随后是被动电荷恢复的波形的第一示例。
图12至图15示出了对图11的波形的修改的其他示例。
图16示出了使用图11的波形来创建虚拟极。
图17示出了外部设备GUI上的用于允许临床医生将脉冲形成为双相脉冲(图10)、或单相脉冲随后是被动电荷恢复(图11)的选项。
具体实施方式
虽然脊髓刺激(SCS)治疗是减轻患者的疼痛的有效手段，但这种刺激也会导致感觉异常。感觉异常——有时被称为“超感知”治疗——是可能伴随SCS治疗的感觉，诸如麻刺感、刺痛、热、冷等。一般而言，感觉异常的影响是轻微的，或者至少对患者来说不是太严重。而且，对于其慢性疼痛现在已经通过SCS治疗得到控制的患者，感觉异常通常是合理的权衡。有些患者甚至觉得感觉异常舒适和舒缓。
尽管如此，至少对一些患者来说，SCS治疗将理想地提供完全的疼痛缓解而没有感觉异常——这通常被称为患者感觉不到的“亚感知”或亚阈值治疗。有效的亚感知治疗可以通过以更高频率发出刺激脉冲来缓解疼痛而没有感觉异常。不幸地，这种较高频率的刺激可能需要更多的功率，这往往会耗用IPG 10的电池14。例如，参见美国专利申请公布2016/0367822。如果IPG的电池14是原电池单元并且不可再充电，则高频刺激意味着IPG 10需要更快地更换。可替选地，如果IPG电池14是可再充电的，则IPG 10将需要更频繁地充电，或者充电持续更长的时段。不管怎样，患者不方便。
在SCS应用中，期望的是确定对每个患者都有效的治疗刺激程序。确定有效的治疗刺激程序的重要部分是确定每个患者体内的刺激的“最佳点”，即选择哪些电极应该是激活的(E)以及用什么极性(P)和相对幅值(X％)来募集(recruit)以及因此治疗患者体内疼痛起源的神经部位。选择靠近这个疼痛神经部位的电极可能难以确定，并且通常进行实验来选择电极的最佳组合以提供患者的治疗。在患者首次植入有电极阵列后，即在接受IPG或ETS后，用于确定用于此后的治疗刺激的电极的最佳点搜索在试验设置中特别有用，但是最佳点搜索也可以在IPG的寿命期间的任何时间进行，以优化治疗。
如美国专利申请公布2019/0046800(‘800公布)中所述，当使用亚感知治疗时，为给定患者选择电极可能更加困难，因为患者感觉不到刺激，并且因此患者可能难以感觉到刺激是否“掩盖”了他的疼痛，并且因此难以感觉到所选择的电极是否有效。进一步，亚感知刺激治疗可能在其可能变得有效之前需要“洗入(wash in)”时段。洗入时段可能花费一天或更长时间，并且因此亚感知刺激可能不会立即有效，从而使电极选择更加困难。
‘800公布公开了最佳点搜索因此可以优选地使用超感知刺激进行，即使在最佳点搜索之后提供的最终刺激治疗是亚感知。根据定义，超感知治疗允许患者感觉到刺激，这使得患者在最佳点搜索期间能够向临床医生提供基本上即时的反馈，即感觉异常是否似乎很好地掩盖了他的疼痛，而不需要洗入时段。进一步，在最佳点搜索期间使用超感知刺激确保电极被确定为很好地募集患者的疼痛的神经部位。结果，在最佳点搜索完成并且在所确定的电极处提供最终的亚感知治疗之后，该亚感知治疗的洗入可能不会花费那么长的时间，因为良好募集所需的电极已经被可靠地确定。
参考图7，在简单的示例中简要描述了‘800公布中描述的最佳点搜索。在这个示例中，假设疼痛部位100可能在组织区域102内。这样的区域102可以由临床医生基于患者症状来推断，例如，通过理解哪些电极靠近某些椎骨(未示出)，诸如在T9至T10间隙内。在图7中，超感知双极104被选择，并在电极阵列17或17’中的第一位置(位置1)被施加到患者。在这个示例中，双极104最初被放置在电极E2和E3附近，其中电极E2被选择为将向患者的组织提供正电流(+A)的阳极，并且其中电极E3被选择为将从组织吸收负电流(-A)的阴极。当形成双极104时选择的特定刺激参数可以在临床医生编程器50或其他外部设备(诸如患者外部控制器45)的GUI 64处选择，并且无线遥测到患者的IPG或ETS以便进行执行。超感知双极104被提供给患者持续短的持续时间，在此期间，患者向临床医生提供关于双极104如何好地帮助他们的症状的反馈。这种患者反馈可以包括疼痛量表等级(其可以被输入到临床医生编程器50(或患者控制器45；图5)的GUI 64中(如图7所示))以及关于反映在阳极和阴极电极位置的双极102的当前位置的信息。疼痛量表等级可以包括使用数字等级量表(NumericalRating Scale，NRS)或视觉模拟量表(Visual Analogue Scale，VAS)的从1到10的量表，其中1表示没有或很少疼痛，并且10表示可想象的最严重的疼痛。如果需要的话，GUI 64可以包括用于标记并记录疼痛等级和双极位置的输入。
在这个第一位置测试双极104之后，双极104可以被移动到不同的电极组合，诸如阳极电极E3和阴极电极E4(位置2)，以再次测试和记录其功效。双极的移动可以以不同的方式发生。例如，GUI可以包括带有箭头的刻度盘112，这些箭头允许临床医生在电极阵列17或17’中向上、向下、向左和向右移动双极，这些箭头可以使用光标94来接合。诸如操纵杆58(图5)的附件设备也可以用于移动双极104。用户也可以将文本输入到GUI中来设置双极的新位置。在所示的示例中，在希望找到覆盖疼痛部位100的电极组合时，将双极104的一个电极引线向下移动，并且将另一电极引线向上移动，如路径106所示。在图6的示例中，考虑到疼痛部位100靠近电极E13和E14，可以预期的是在这些电极处的双极104将为患者提供最佳缓解，如患者的疼痛评分等级所反映的那样。在最佳点搜索期间，没有必要在任何特定路径106中移动双极，而是双极104可以随机地或以其他逻辑方式移动，可能如由患者的输入引导的那样。
双极104可以以不同的方式形成，并且如‘800公布中所述，可以使用不一定位于电极16的物理位置处的虚拟极108(即，虚拟阳极或阴极)来形成。虚拟极108在美国专利申请公布2018/0243569(‘569公布)中被进一步讨论，并且因此虚拟磁极108在此仅被简要解释。如果在IPG或ETS中使用的刺激电路系统28能够独立地设置电极中的任何一个处的电流，则辅助形成虚拟极，如前面参考图3所解释的那样。
当使用虚拟双极104a时并且如图8所示，临床医生编程器50(图4)的GUI64可以用于在电极阵列17或17’中的坐标X、Y处限定阳极(+)和阴极(-)108。如‘569公布中所解释的那样，被编程到临床医生编程器50(图5)的控制电路系统70中的电极配置算法120可以根据这些位置和根据其他组织建模信息计算将需要选择哪些物理电极16，以及以什么相对幅值在指定的位置处形成虚拟阳极和虚拟阴极。例如，在图8中，虚拟阳极位于电极E2、E3和E10之间的位置处。电极配置算法120然后可以基于这个位置计算这些电极中的每个(在第一脉冲阶段30a期间)将接收总阳极电流+A的适当份额(X％)，以将虚拟阳极定位在这个位置。因为虚拟阳极的位置最靠近电极E2，所以这个电极E2可以接收指定阳极电流+A的最大份额(例如，75％*+A)。靠近虚拟阳极的位置但距离较远的电极E3和E10接收较小份额的阳极电流(例如，分别为15％*+A和10％*+A)。同样地，从靠近电极E4、E11和E12的虚拟阴极的指定的位置可以看出，这些电极将接收指定阴极电流A的适当份额——(例如，在第一脉冲阶段30a期间，分别为20％*-A、20％*-A和60％*-A)。然后，这些极性将在脉冲的第二阶段30b期间翻转，如图8的波形所示。无论如何，在双极104a的形成中使用虚拟极允许成形组织中的场，并且在最佳点搜索期间可以尝试许多不同的电极组合。在这点上，(虚拟)双极相对于电极沿着有序路径106移动不是严格必要，并且路径可以是随机的，可能地如来自患者的反馈来引导的那样。
‘800公布解释了，一旦最佳点搜索已经完成，并且已经确定了靠近患者的疼痛部位100的电极，则可以使用这些电极(或靠近它们的电极)向患者提供亚感知治疗。显著地，‘800公布公开了即使在IPG 10或ETS 40中使用较低功率量的较低频率(小于或等于10kHz)下也可以发生有效的亚感知治疗，并且当脉宽在每个频率下被调节到特定值时，也实现这样的较低频率下的有效性。取自‘800公布的图表在图10中示出，图10示出了这种较低频率和所注意到的基于经验测试提供最佳亚感知治疗的脉宽之间的关系。‘800公布更深入地分析了这个数据，包括标识特定关系(曲线拟合)和指示亚感知有效性的频率/脉宽区域。在这样的频率和脉宽下提供的刺激的幅值A可以被滴定减少(titrated down)，直到达到亚感知为止。假定读者熟悉‘800公布，并且因此此处不再重复这些细节。
在‘800公布中特别感兴趣的是观察到有效的超感知最佳点搜索和有效的亚感知治疗可以在非常低的频率(小于或等于200Hz)下实现。在‘800公布中，在超感知最佳点搜索期间和/或在亚感知治疗期间使用的脉冲优选地为对称双相脉冲。也就是说，并且如图10所示，脉冲包括至少两个主动驱动阶段30a和30b，其中在这些阶段中的每个期间幅值A相同(但是具有相反极性)，并且其中脉宽PW也相等。(在此假设使用图7中疼痛的部位100附近的电极E13和E14形成双极)。假定有效性得到增强，因为每个阶段30a和30b将倾向于在患者的组织中主动募集不同的神经靶点。也就是说，在阶段30a期间募集第一群组神经靶点，并且在阶段30b期间募集第二群组(可能地重叠的)神经靶点。因此，扩大了刺激覆盖。另外，对称双相脉冲的使用是有益的，因为如上所述，这种脉冲是电荷平衡的，因此(理想地)在第二阶段30b结束时恢复所有存储的电荷。
然而，在一些IPG或ETS中，在较低频率(例如，<200Hz)下形成对称双相脉冲可能是困难的或不可能的。这是因为一些IPG/ETS制造商可能不提供在如此低的频率下使用双主动驱动阶段的能力。替代地，IPG或ETS可能仅支持并且外部设备的GUI 64可能仅允许对使用被动电荷恢复的单相脉冲的使用，如前面参考图2B所解释的那样。虽然也许有可能“欺骗”这种设备在低频下形成对称的双相脉冲，但是即使这种欺骗是可能的，这种欺骗也是不方便的且难以实施。简而言之，在发明人看来，当在超感知最佳点搜索或亚感知治疗期间使用较低频率时，可能难以实现‘800公布的教导中的一些。
为了克服这个问题，发明人公开了用于在IPG或ETS中使用的新的波形的使用，其可以有效地在较低频率下创建主动驱动双相脉冲的期望效果，但是通过对使用被动电荷恢复的单相脉冲的使用。波形在每个电极处包括交错的第一脉冲和第二脉冲，使得每个电极发出第一脉冲序列，随后是第二脉冲，随后是第一脉冲，依此类推。每个第一脉冲包括具有第一幅值和第一脉宽的第一极性的第一单相脉冲，以及第一被动电荷恢复时段。第一脉冲优选地以期望的频率(诸如小于200Hz)发出，这在例如‘800公布中被示出是有用的。每个第二脉冲包括具有第二幅值和第二脉宽的与第一极性相反的第二极性的第二单相脉冲，以及第二被动电荷恢复时段。第二脉冲以与第一脉冲相同的频率发出，并且在每个电极处每个第二脉冲可以相对于前一和下一第一脉冲在时间上居中。优选地，第一幅值和第二幅值以及第一脉宽和第二脉宽相等，或者至少期望的是在每个电极处相反极性的第一单相脉冲和第二单相脉冲电荷平衡。第一单相脉冲和第二单相脉冲模仿双相脉冲的功能，其中第一单相脉冲模仿双相脉冲的第一阶段的功能，并且其中第二单相脉冲模仿双相脉冲的第二阶段的功能。因为第一脉冲和第二脉冲中的每个包括单相脉冲，随后是被动电荷恢复时段，所以在传统的IPG或ETS设备中，它们很容易在低频率下形成。
这样的波形在图11中的第一示例中示出。如刚刚解释的那样，第一脉冲130以频率F发出。例如，这个频率F可以小于200Hz，如例如在‘800公布中所示出是有用的那样，尽管所公开的波形可以以任何期望的频率使用。每个第一脉冲130包括单相脉冲132，随后是产生被动电荷恢复脉冲的被动电荷恢复时段134。被动恢复脉冲134紧接在第一电极节点处的第一脉冲中的单相脉冲132之后，这意味着它跟随有最小的间期时段，或者以其他方式意味着在这两者之间没有脉冲发出，即使它们之间的时间间隔相对较长。单相脉冲132由刺激电路系统28(图3)主动驱动，即由一个或多个PDAC 40i或NDAC42i驱动，这取决于其极性是正还是负。在电极E13处，这个单相脉冲132是正的(阳极的)，在脉宽PWa期间具有恒定电流+A，而在电极E14处，单相脉冲是负的(阴极的)，在脉宽PWa期间具有恒定电流–A。然而，单相脉冲132在其脉宽PWa上保持恒定不是严格必要的。可替选地，单相脉冲132的幅值可以是可变的。进一步，单相脉冲132可以包括电压而不是电流，该电压可以是正的或可变的。
在每个电极处的单相脉冲132随后是被动电荷恢复时段134，这个导致不由刺激电路系统28主动驱动的脉冲。替代地，在被动电荷恢复时段134期间，刺激电路系统28(图3)中的被动电荷恢复开关41i在被动电荷恢复时段134期间闭合(即，所有开关41i，或至少开关4113和4114)。被动电荷恢复134在持续时间PWb内发生。PWb优选地足够长，以允许在单相脉冲132期间所有存储的电荷(例如，E13处的+Q，或E14处的–Q)在时段134期间被动恢复(例如，E13处的-Q或E14处的+Q)。被动电荷恢复时段134的持续时间PWb可以是可变的，因为完全恢复存储的电荷所需的持续时间将取决于所涉及的特定电容和电阻。尽管未示出，在每个第一脉冲130中，短的间期时段可以将单相脉冲132与被动电荷恢复脉冲134分离。
在电极中的每个处第二脉冲140与第一脉冲130交错。第二脉冲140优选地与第一脉冲130相同，但是具有相反极性。因此，第二脉冲140还包括单相脉冲142，随后是被动电荷恢复时段144。在电极E13处，单相脉冲142是负的(阴极的)，在脉宽PWa期间具有恒定电流-A，而在电极E14处，单相脉冲132是正的(阳极的)，在脉宽PWa期间具有恒定电流+A。在这个示例中，在每个电极处，单相脉冲132和142的幅值(A，尽管极性方面不同)与其脉宽PWa相同，这意味着单相脉冲132和142是对称的，并且在每个电极处电荷平衡。然而，如后面的示例中所描述的那样，这并不是严格必要的。如前文那样，可以通过闭合相关的被动电荷恢复开关41i来实施被动电荷恢复时段144，这可以再次在持续时间PWb上发生，该持续时间再次优选地足够长，以允许在单相脉冲142期间的所有存储的电荷(例如，E13处的-Q，或E14处的+Q)在时段144期间被被动恢复(例如，E13处的+Q或E14处的-Q)。
因为在每个电极处第二脉冲140与第一脉冲130交错，所以它们也在每个电极处以频率F发出。每个第二脉冲140可以相对于在每个电极处之前和之后到来的第一脉冲130在时间上完全居中。换句话说，在每个电极处，每个第二脉冲140可以在前一第一脉冲130时间ta之后发出，并且可以在下一第一脉冲140时间tb之前发出。(如图所示，ta和tb可以在单相脉冲132和142的开始之间测量，尽管也可以选择其他参考点)。如图11所示，如果ta＝tb，则每个第二脉冲140可以在时间上居中，这意味着脉冲130和140以2F的周期频率在每个电极处发出。然而，在每个电极处第二脉冲140相对于两侧的第一脉冲在时间上居中并不是严格必要的，如随后所讨论的那样。
当人们比较图10的双相波形和图11的波形时，可理解的是这两个波形应该具有相似的治疗效果。如前所述，假定图10的波形是有效的(特别是在较低频率下，并且特别是在施加亚感知治疗时)，因为主动驱动阶段30a和30b两者将倾向于主动募集患者的组织中的不同神经靶点，因此扩大患者的组织中的刺激覆盖。当在图11中考虑脉冲130和140时也是如此。本质上，图10的双相脉冲的主动驱动的第一阶段30a由图11的第一脉冲130中的单相脉冲132实现。同样地，图10的双相脉冲的主动驱动的第二阶段30b由图11的第二脉冲130中的单相脉冲142实现。而且，图11中的这种刺激以与图10中相同的有效频率F发生。另外，与图10的对称双相脉冲一样，图11的波形也是电荷平衡的，并且这种电荷平衡可以发生在两个方面。首先，单相脉冲132和142可以在每个电极处电荷平衡。第二，每个单相脉冲132和142可以利用其相关联的被动电荷恢复阶段134和144进行电荷平衡。在任一情况下，图11的波形在每个脉冲130或140内、或者在连续脉冲130和140之间，在每个电极处完全恢复电荷。
另外，因为每个电极处的波形包括单相脉冲，随后是被动电荷恢复脉冲，因此这种脉冲很容易在IPG或ETS中形成，否则这可能不允许在较低频率F下形成主动驱动的双相脉冲(图10)。在这方面，注意，IPG或ETS通常支持在不同定时通道(timing channel，TC)中限定不同的规定脉冲。不同定时通道的使用允许由IPG或ETS提供更复杂的治疗，其中每个定时通道与其他定时通道中的脉冲同时提供其脉冲，即使这些定时通道中的脉冲在时间上不重叠。例如参见更详细地描述了IPG中的定时通道的USP 9,656,081)。当形成图11的波形时，注意第一脉冲130可以在第一定时通道(TC1)中限定和形成，而第二脉冲140可以在第二定时通道(TC2)中限定和形成。可替选地，脉冲130和140可以在单个定时通道中形成。
对图11波形的修改是可能的，一些修改在图12至图16中示出。在图12中，第二脉冲140相对于第一脉冲130在时间上不居中。替代地，第二脉冲140在第一脉冲结束后立即发出，也就是说，在前一第一脉冲130的被动电荷恢复时段134结束后立即发出。也就是说，第二脉冲140可以在前一第一脉冲130之后的时间ta发出。在这种情况下，ta将比tb(到下一第一脉冲130的时间)更短，并且优选地，ta至少足够长以包含单相脉冲132的持续时间(PWa)和被动电荷恢复时段134的持续时间(PWb)。图13示出了类似的修改，除了第二脉冲140在下一第一脉冲130开始之前尽可能晚地发出。在这个示例中，第二脉冲140以足够的时间开始以在给定电极发出下一第一脉冲130之前结束。这意味着第二脉冲至少在下一第一脉冲之前的时间tb开始，这意味着时间tb至少与第二脉冲140的单相脉冲142(PWa)和被动电荷恢复时段144(PWb)的持续时间一样长。在这种情况下，时间tb会比时间ta更短，如图13所示。当然，第二脉冲140可以出现在图12和图13中示出的极值之间的任何地方。
在图14的修改中，第一脉冲和第二脉冲130和140的单相部分132和142虽然具有相反的极性，但在其他方面并不是对称的。具体而言，在这个示例中，在电极E13处，第二脉冲140中的单相脉冲142具有比第一脉冲130中的单相脉冲132(PW，+A)具有更长的持续时间(PW’)和更低的幅值(-A’)。即使不对称，单相脉冲132和142在每个电极处仍然是电荷平衡的，即+Q＝|-Q|，因为在这种情况下PW*+A ＝PW’*|-A|。如前所述，一般来说，如果这些曲线中的每个下的面积相等(尽管具有相反的极性)，脉冲132和142的电荷平衡可以发生。电极E14处情况相同，尽管极性被颠倒。
在图15的修改中，单相脉冲132和142在每个电极处不是电荷平衡的。具体而言，在电极E13处，单相脉冲132具有+Q的电荷，而单相脉冲142具有–Q’的电荷。在这个示例中，|-Q'|小于Q，这可以通过使单相脉冲142的脉宽(PW’)小于单相脉冲132的脉宽(PW)、或者使142的幅值(A’)小于132的幅值(A)、或者两者而被影响。即使单相脉冲132和142不是电荷平衡的，当考虑它们的被动恢复时段134和144时，每个第一脉冲和第二脉冲130和140单独地是电荷平衡的。当单相脉冲132提供+Q的电荷时，被动恢复时段134恢复–Q(假设其持续时间足够长)。同样地，当单相脉冲142提供-Q’的电荷时，被动恢复时段144恢复+Q’(再次假设其持续时间足够长)。因此，每个脉冲130和140单独地电荷平衡。同样，电极E14处情况相同，尽管极性被颠倒。
图16示出了图11至15的波形可以被提供给两个以上的电极，这如前所述对于创建具有位置可能不对应于电极阵列中的电极16的物理位置的虚拟极的刺激是有用的。图16示出了应用于图11的波形的这种修改，但是也可以对图12至图15的波形进行类似的修改。
在图16中，如前所述(图8)创建了具有极108的双极104a。在这个示例中，阳极108是虚拟的，并且其位置不对应于电极的物理位置。然而，阴极108被定位在电极(E14)处，尽管这个极108实际上也可以通过在不同电极之间分割阴极电流–A而形成在电极阵列17或17’中的任何随机位置处。考虑到虚拟阳极108相对于电极E5和E13的位置，可以看出，前面解释的电极配置算法120已经在相关的外部设备(例如，临床医生编程器50)中操作，以计算阳极电流+A应该如何在电极之间分配，从而在期望的位置最佳地形成虚拟阳极。具体而言，电极配置算法120已经计算出电极E13应该接收75％的阳极电流+A，同时电极E5接收剩余的25％。注意，电极配置算法120的使用并不是严格必要的。替代地，用户可以手动选择使用电极E13和E5作为阳极电极，并且可以手动选择在它们之间以75％和25％分割阳极电流，例如使用图6的GUI 64。
在任何情况下，电极处的所得到的波形如前文那样形成，其中第一脉冲130具有单相脉冲132和被动电荷恢复时段134，并且交错的第二脉冲140具有单相脉冲142和被动电荷恢复时段144。唯一的区别是激活电极处的脉冲的所得到的幅值。
如前所讨论的那样，当以较低频率提供治疗亚感知刺激时，所描述的波形的使用被认为是特别有用的。然而，所公开的波形的使用不如此受限。例如，所公开的波形可以在最佳点搜索期间使用，如前面参考图7和图8所讨论的那样。另外，所公开的波形的使用不限于亚感知刺激或任何特定的频率或脉宽。替代地，波形可以更普遍地用于提供超感知刺激。事实上，出于前面描述的原因，使用所公开的波形来提供超感知刺激在最佳点搜索期间可能特别有用。所公开的波形(其模拟了主动驱动双相波形的功能(图10))可以用于传统上使用双相波形的其他刺激环境。
图17示出了可以用于形成具有单相脉冲随后是被动电荷恢复的图11至图16的波形的临床医生编程器50的GUI 64的可选方面。已经包括了允许临床医生选择形成脉冲的选项，该脉冲的刺激参数以其他方式被规定(例如，使用接口84和86)为双相脉冲(150)(例如如图10所示)或者规定为使用被动电荷恢复的单相脉冲(152)(例如如图11所示)。如果选择选项150，则软件66将获取所输入的幅值、脉宽和频率信息，以及激活电极、它们的极性和电流分数(X％)，以自动导出具有主动驱动阶段30a和30b的双相波形，如前所解释那样。一旦被导出，代表这个波形的刺激参数可以从临床医生编程器50发送到IPG或ETS，以便由刺激电路系统执行。如果选择了与此最相关的选项152，软件66将采用那些相同的参数，并自动导出具有相反极性的第一脉冲和第二脉冲130和140的波形，其中脉冲130和140中的每个具有主动驱动的单相脉冲132和142，随后是被动电荷恢复脉冲134和144，如前所解释那样。这是真实的，即使输入的刺激参数(例如，A、PW、F)本身并不独立地指定交错的第一脉冲和第二脉冲。如果必要的话，软件66可以在单个或多个(例如，两个)定时通道中导出这些波形，如前所解释那样。一旦被导出，代表这个波形的刺激参数可以从临床医生编程器50发送到IPG或ETS，以便由刺激电路系统执行。尽管未示出，但是GUI 64可以具有用于实施前面在图12至图16中讨论的修改的其他选项。例如，其他选项可以允许单相脉冲132和142的幅值和脉宽被分离地定制(例如，图14和图15)，或者调节脉冲130和140的相对定时(图12和图13)。
所公开的技术的各个方面(包括可在IPG或ETS中实施的、或可在外部设备(诸如临床医生编程器或外部控制器)中实施的程序(诸如软件程序66))可以被公式化并作为指令存储在与这样的设备相关联的计算机可读介质中，诸如磁、光或固态存储器中。具有这种存储的指令的计算机可读介质还可以包括可由临床医生程序员或外部控制器读取的设备，诸如在记忆棒或可移动盘中，并且可以无线地提供给IPG或ETS。计算机可读介质可以驻留在其他地方。例如，计算机可读介质可以与服务器或任何其他计算机设备相关联，从而允许例如通过互联网将指令下载到临床医生程序员系统或外部控制器或下载到IPG或ETS。
注意，本公开要求优先权的申请中的一些涉及与所公开的波形相关的构思(例如，选择最佳刺激参数，并且特别是在较低频率引起亚感知的刺激参数)。本公开中的技术也可以在这些优先应用的上下文中使用。
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